论文部分内容阅读
[摘 要]针对矿井主通风连续运行的特点，利用PLC控制的变频控制系统，该系统实现了主通风机的性能参数、状态参数和拖动电机电气参数的实时监测与远程控制，保证了主通风机经济、可靠地运行。
[关键字]PLC；主通风机，自动监控；变频器，节能，应用
中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）09-0391-01
主通风机是煤矿四大固定设备之一，素有“矿井肺腑”之称，它担负着向井下输送新鲜空气，排出粉尘和污浊气流，确保矿井安全生产的重任。近年来，随着国家对煤矿安全与经济效益的日益重视，煤矿机电设备的运行控制和自动化管理显得尤为重要，因此，加强通风管理，防止安全事故发生，提高风机运行效率，确保其安全、经济高效发生，提高风机运行效率，确保其安全性、经济高效行已势在必行。
1 变频控制系统组成
为了适应矿井发展，满足通风网络变化的要求，通风机及其拖动电机在设计选型时都有一定余量，形成“大马拉小车”的不经济运行现象。煤矿主通风机传统的控制方式是风机全速运行，通过调节风叶安装角度或风门开度调整所需风量，这种运行方式能耗大，约占煤矿能耗的15%～20%左右，并且调节不方便。采用变频调速技术，可以根据矿井生产需求调整电机转速来调节风量，既节约大量电能，又减少机械和风的噪音。
主通风系统高压两回路10kV电源引自地面变电所不同的两段母线上，通过线路接至主通风房，高压母线为单母线分段结构，两条高压进线互为备用，安装自投装置，确保供电安全。高压室设有9台高压柜。低压母线也为单母线分段，设有进线柜两个、母线联络柜一个，四个变频柜分别控制两台对旋风机的四台电机，两个低压配电柜为风门绞车供电。
变频器选用西门子变频器JD-BP38-400F。JD-BP38-400F变频器特别适合我矿风机使用，具有如下优点
（1）实现了0.3 Hz时200%以上高启动转矩，保证风机特殊情况下正常启动；
（2）具有变频器跳闸抑制功能，过电流抑制功能、过电压抑制功能，根据负载调整所需的加速时间和减速时间，减少了跳闸的发生，提高了风机运行的安全性；
（3）通过可编程序运行功能，实现简易顺序控制功能，内置简易程序运转最大可达512步，可以简化上位装置和周边回路，节约了控制柜空间、降低了成本，提高了变频控制柜可靠性；
（4）采用冷却风扇、平滑电容等长寿命部件，设计寿命达到10年，并具有寿命诊断功能，可以发出预告信号，提示在这些部件发生故障前对其进行更换，提高了变频器的可靠性；
（5）安装标准的EMC噪音滤波器，降低了谐波和变频器噪音；
2 监控系统组成
矿井主通风机自动监控系统以PLC 为核心，主要由信号监测装置、传感（变送）器、PLC、通信装置、上位机及其它设备组成，可分为风机变电站监控系统和风机风速、负压、振动、风机电机温度监控系统，主要由电源、CPU、数字量输入输出、模拟量输入输出、通信单元等模块组成。
通过工业以太网通信模块CP341 连接到上位工控机或矿统调系统，实现监测参数的实时显示，并将监测参数存储到数据库中；同时以数据、趋势图及报表等多种方式实现风机运行参数监测结果的再现。根据设定的起始时间点，实现分、时、日和选择变量形式，以时间间隔和变量数据等方式查询、打印报表，完成性能测试，自动生成性能测试报告，通风机性能曲线等。
（1）低压系统测量仪表均采用设有RS485通信接口的SWP系列智能仪表，可就地显示相电压、线电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等参数，通过MODBUS-RTU协议与PLC通信模块CP341通信，监测设备运行参数。
变频器标配RS485 MODBUS-RTU 通信接口和PLC通信模块CP341，通
通信接口和PLC通信模块CP341，通过MODBUS-RTU协议进行通信。
其它高、低压开关，风门限位开关的信号均通过数字量输入模块与PLC连接。
（2）风机在线监测系统组成
风速、负压、振动、风机电机温度监控系统主要由风速、负压、振动、温度传感器和相应变送器组成。
风速传感器安装在风机前端的风道内，传感器输出信号经风速变送器转换成电信号，传送至PLC模拟量输入模块。
负压监测是把风机前端的风道开孔引风接至负压传感器，经过负压变送器将负压值转换为4～20 mA信号引至PLC模拟量输入模块。
（3）振动监测由振动传感器和振动位移变送器组成。
振动传感器分别安装在风机前、后轴承位置处的机壳垂直和水平方向上，用于检测风机的水平和垂直方向的振动。振动速度量转换成位移量送入振动位移变送器，振动位移变送器将此位移信号转换成与之对应的电信号输出，接至PLC模拟量输入模块。
（4）风机拖动电机安装三相定子和前后轴承，绕组温度传感器，两套带有标准RS485接口的16路温度巡检仪SWP就地显示温度及温度报警状态，温度巡检仪也通过MODBUS-RTU 协议与PLC 通信模块CP341通信，在触摸屏和上位机上实时显示温度。
3、变频节能在生产中的综合效果
根据流体力学原理，风机设备的输出流量与其转速成正比，输出压力与其转速的平方成正比，其消耗的功率与其转速的三次方成正比。采用变频调速改变电动机的转速，从而改变风机转速，以此来调节流量。在这种调节方式下，可以将节流调节的阀门或档板等开度调至最大，减小管道系统的阻力，节约因克服调节阻力而引起的能耗。同时，采用变频调节后，管道系统的阻力能保持在使风机工作的高效率点，减少因风機或泵的效率降低而造成的能耗损失。
（1）当电机转速从 N1 变到 N2时，其电机轴功率 （P）的变化关系如下：
P2/ P1 = （N2/N1）3 ，由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。
（2）动态调整节能：
迅速适应负载变动，供给最大效率电压。变频调速器在软件上设有 5000次/秒的测控输出功能，始终保持电机的输出高效率运行。
（3）变频自带软启动节能：
在电机全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收 7 倍的电机额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线损和变损。采用软启动后，启动电流可从0 -- 电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。
（4）提高功率因数节能：
电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。绕组由于其感抗作用。对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数很低。
采用变频节能调速器后，由于其性能已变为：
AC--DC--AC，在整流滤波后，负载特性发生了变化。变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗
参考文献：
1.王德民.《通风与安全》.中国矿业大学出版社出版，2003.10.1.
2.国家安全总局.《煤矿安全规程》.煤炭工业出版社出版，2002.3.15.
3.周新健.《流体机械》.中国矿业大学出版社出版，2003.11.8.
4.郝迎吉.《单片机》.西安矿业学院出版社，2001.2.1.
[关键字]PLC；主通风机，自动监控；变频器，节能，应用
中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）09-0391-01
主通风机是煤矿四大固定设备之一，素有“矿井肺腑”之称，它担负着向井下输送新鲜空气，排出粉尘和污浊气流，确保矿井安全生产的重任。近年来，随着国家对煤矿安全与经济效益的日益重视，煤矿机电设备的运行控制和自动化管理显得尤为重要，因此，加强通风管理，防止安全事故发生，提高风机运行效率，确保其安全、经济高效发生，提高风机运行效率，确保其安全性、经济高效行已势在必行。
1 变频控制系统组成
为了适应矿井发展，满足通风网络变化的要求，通风机及其拖动电机在设计选型时都有一定余量，形成“大马拉小车”的不经济运行现象。煤矿主通风机传统的控制方式是风机全速运行，通过调节风叶安装角度或风门开度调整所需风量，这种运行方式能耗大，约占煤矿能耗的15%～20%左右，并且调节不方便。采用变频调速技术，可以根据矿井生产需求调整电机转速来调节风量，既节约大量电能，又减少机械和风的噪音。
主通风系统高压两回路10kV电源引自地面变电所不同的两段母线上，通过线路接至主通风房，高压母线为单母线分段结构，两条高压进线互为备用，安装自投装置，确保供电安全。高压室设有9台高压柜。低压母线也为单母线分段，设有进线柜两个、母线联络柜一个，四个变频柜分别控制两台对旋风机的四台电机，两个低压配电柜为风门绞车供电。
变频器选用西门子变频器JD-BP38-400F。JD-BP38-400F变频器特别适合我矿风机使用，具有如下优点
（1）实现了0.3 Hz时200%以上高启动转矩，保证风机特殊情况下正常启动；
（2）具有变频器跳闸抑制功能，过电流抑制功能、过电压抑制功能，根据负载调整所需的加速时间和减速时间，减少了跳闸的发生，提高了风机运行的安全性；
（3）通过可编程序运行功能，实现简易顺序控制功能，内置简易程序运转最大可达512步，可以简化上位装置和周边回路，节约了控制柜空间、降低了成本，提高了变频控制柜可靠性；
（4）采用冷却风扇、平滑电容等长寿命部件，设计寿命达到10年，并具有寿命诊断功能，可以发出预告信号，提示在这些部件发生故障前对其进行更换，提高了变频器的可靠性；
（5）安装标准的EMC噪音滤波器，降低了谐波和变频器噪音；
2 监控系统组成
矿井主通风机自动监控系统以PLC 为核心，主要由信号监测装置、传感（变送）器、PLC、通信装置、上位机及其它设备组成，可分为风机变电站监控系统和风机风速、负压、振动、风机电机温度监控系统，主要由电源、CPU、数字量输入输出、模拟量输入输出、通信单元等模块组成。
通过工业以太网通信模块CP341 连接到上位工控机或矿统调系统，实现监测参数的实时显示，并将监测参数存储到数据库中；同时以数据、趋势图及报表等多种方式实现风机运行参数监测结果的再现。根据设定的起始时间点，实现分、时、日和选择变量形式，以时间间隔和变量数据等方式查询、打印报表，完成性能测试，自动生成性能测试报告，通风机性能曲线等。
（1）低压系统测量仪表均采用设有RS485通信接口的SWP系列智能仪表，可就地显示相电压、线电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等参数，通过MODBUS-RTU协议与PLC通信模块CP341通信，监测设备运行参数。
变频器标配RS485 MODBUS-RTU 通信接口和PLC通信模块CP341，通
通信接口和PLC通信模块CP341，通过MODBUS-RTU协议进行通信。
其它高、低压开关，风门限位开关的信号均通过数字量输入模块与PLC连接。
（2）风机在线监测系统组成
风速、负压、振动、风机电机温度监控系统主要由风速、负压、振动、温度传感器和相应变送器组成。
风速传感器安装在风机前端的风道内，传感器输出信号经风速变送器转换成电信号，传送至PLC模拟量输入模块。
负压监测是把风机前端的风道开孔引风接至负压传感器，经过负压变送器将负压值转换为4～20 mA信号引至PLC模拟量输入模块。
（3）振动监测由振动传感器和振动位移变送器组成。
振动传感器分别安装在风机前、后轴承位置处的机壳垂直和水平方向上，用于检测风机的水平和垂直方向的振动。振动速度量转换成位移量送入振动位移变送器，振动位移变送器将此位移信号转换成与之对应的电信号输出，接至PLC模拟量输入模块。
（4）风机拖动电机安装三相定子和前后轴承，绕组温度传感器，两套带有标准RS485接口的16路温度巡检仪SWP就地显示温度及温度报警状态，温度巡检仪也通过MODBUS-RTU 协议与PLC 通信模块CP341通信，在触摸屏和上位机上实时显示温度。
3、变频节能在生产中的综合效果
根据流体力学原理，风机设备的输出流量与其转速成正比，输出压力与其转速的平方成正比，其消耗的功率与其转速的三次方成正比。采用变频调速改变电动机的转速，从而改变风机转速，以此来调节流量。在这种调节方式下，可以将节流调节的阀门或档板等开度调至最大，减小管道系统的阻力，节约因克服调节阻力而引起的能耗。同时，采用变频调节后，管道系统的阻力能保持在使风机工作的高效率点，减少因风機或泵的效率降低而造成的能耗损失。
（1）当电机转速从 N1 变到 N2时，其电机轴功率 （P）的变化关系如下：
P2/ P1 = （N2/N1）3 ，由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。
（2）动态调整节能：
迅速适应负载变动，供给最大效率电压。变频调速器在软件上设有 5000次/秒的测控输出功能，始终保持电机的输出高效率运行。
（3）变频自带软启动节能：
在电机全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收 7 倍的电机额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线损和变损。采用软启动后，启动电流可从0 -- 电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。
（4）提高功率因数节能：
电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。绕组由于其感抗作用。对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数很低。
采用变频节能调速器后，由于其性能已变为：
AC--DC--AC，在整流滤波后，负载特性发生了变化。变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗
参考文献：
1.王德民.《通风与安全》.中国矿业大学出版社出版，2003.10.1.
2.国家安全总局.《煤矿安全规程》.煤炭工业出版社出版，2002.3.15.
3.周新健.《流体机械》.中国矿业大学出版社出版，2003.11.8.
4.郝迎吉.《单片机》.西安矿业学院出版社，2001.2.1.